RU1776347C - Способ измерени жесткости подшипника и устройство дл его осуществлени - Google Patents

Abstract

Использование: в подшипниковой промышленности дл  контрол  жесткости подшипников и повышени  производительности процесса измерени . Сущность изобретени : нагружают подшипник грузом с упругим элементом, ввод т упругий элемент в контакт с подшипником, возбуждают импульсным воздействием свободные колеба- ни  системы упругий элемент-груз, измер ют частоту свободных колебаний системы и вычисл ют жесткости подшипника по соответствующей формуле. Упругий элемент устройства выполнен в виде винтовой цилиндрической пружины. Груз - в виде намагниченного в осевом направлении посто нного цилиндрического магнита, закрепленного на пружине и введенного на половину своей длины в осевое отверстие соленоида, установленного с возможностью осевого перемещени  и подключенного к источнику посто нного тока, дифференцирующей цепи и частотомеру. Повышение чувствительности, точности измерени , увеличение производительности процесса, исключение нелинейных эффектов, дребезга, упрощение конструкции устройства дл  измерени , исключение вли ни  массы подвижной части подшипника на результат. 2 с.п. ф-лы, 4 ил. Ј

Description

Изобретение относитс  к подшипниковой промышленности и может быть использовано преимущественно при контроле жесткости собранных подшипников.

Известны способы измерени  жесткости подшипника, заключающиес  в установке подшипника на вибростенд, нагружении его грузом, создании вынужденных колебаний вибростенда, измерении резонансной частоты подшипника, и вычислении по измеренной частоте жесткости подшипника .

Известные способы имеют невысокую точность измерени  жесткости, что объ сн етс  зависимости измеренного значени  резонансной частоты, а, следовательно, и жесткости от массы подвижной части подшипника , измен ющейс  в довольно широких пределах, сложности точной фиксации резонансной частоты подвижной части подшипника , зависимости резонансной частоты от наличи  смазки.

Известен также способ измерени  жесткости подшипника, заключающийс  в установке подшипника на вибростенд, последовательном нагружении его двум  разными грузами, измерении резонансных частот при каждом нагружении, и вычислении по измеренным частотам и массам грузом значени  жесткости подшипника.

VI

ч о

W

VI

со

Однако, име  недостатки, общие с двум  вышеописанными способами, что обуславливает невысокую точность измерени , данный способ измерени  жесткости чрезвычайно трудоемок, малопроизводителен , что затрудн ет возможность его использовани  при оперативном контроле собранных подшипников, выпускаемых значительными сери ми, и ограничивает возможность использовани  только единичным контролем в лабораторных услови х .

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому  вл етс  способ измерени  жесткости подшипника, заключающийс  в установке подшипника на подвижной части вибростенда, нагружении его грузом, соединенным с упругим элементом с регулируемой жесткостью, создании вынужденных колебаний вибростенда, изменении жесткости упругого элемента, определении резонанса колебательной системы , измерении величины жесткости упругого элемента в момент резонанса и вычислении по величине этой жесткости, частоте вынужденных колебаний вибростенда и массами груза и упругого элемента жесткости подшипника.

Данный способ характеризуетс  низкой чувствительностью и точностью измерени  жесткости.

Низкал чувствительность объ сн етс  малой крутизной изменени  регистрируемого параметра - резонансной частоты колебаний подвижной части подшипника, упруго соединенной с грузом, при изменении контролируемого параметра - жесткости подшипника. Это объ сн етс  параллельным включением при реализации способа жесткости подшипника и жесткости упругого элемента, вследствие этого сложению этих жесткостей при измерении и малом вли нии за счет этого жесткости подшипника на суммарную жесткость, а следовательно и на резонансную частоту, используемую дл  вычислени  жесткости подшипника. При определенных услови х чувствительность предложенного способа может превосходить чувствительность прототипа практически на пор док.

Низка  точность измерени  жесткости объ сн етс  целым р дом факторов. Во первых, в значение массы, считаемое известной величиной и используемой дл  вычислени  жесткости подшипника, входит и масса подвижной части подшипника, значение которой на практике плавает в довольно широких пределах. При возбуждении вынужденных колебаний на вибростенде естественно происход т и колебани  подвижной части подшипника, то есть масса этой части входит в состав колебательной системы, резонансна  частота которой экспериментально определ етс . Таким

образом, нар ду с искомым параметром- жесткостью подшипника, в процесс измерени  входит и паразитный параметр-масса подвижной части подшипника, обуславливающа  погрешность измерени . Во0 вторых, известный способ измерени  предусматривает целый р д операций (действий ): это фиксаци  резонансного режима . по максимуму амплитуды сигнала, фиксаци  частоты вибростенда в момент резонанса,

5 измерение жесткости упругого элемента в данный момент. Сложение погрешностей каждой из этих операций может привести к значительной погрешности измерени  жесткости в конечном итоге. В третьих, наличие

0 смазки в подшипнике приводит к погрешности при фиксации резонансной частоты. В четвертых, возбуждение резонансных колебаний подвижной части подшипника на вибростенде об зательно вызовет дребезг за

5 счет возникновени  виброударного режима , что затрудн ет фиксацию резонанса. В п тых, подвижна  часть подшипника, как известно, нелинейна  колебательна  система , котора  рассматриваетс  как линейна 

0 при малой интенсивности внешних воздействий и при соответствующей этим воздействи м малой амплитуде колебаний. Однако, известный способ предусматривает работу подвижной части в составе

5 колебательной системы в резонансном режиме , что приведет к существенной погрешности при. определении резонансной частоты.

Известно устройство дл  измерени  же0 сткости подшипника, содержащее вибростенд , приспособление дл  креплени  подшипника на платформе вибростенда, закрепленный на подшипнике груз с вибродатчиком .

5 Известное устройство имеет низкую точность измерени  за счет сложени  погрешностей при фиксации резонансного режима по вибродатчику и фиксации частоты вибростенда в момент возникновени  резо0 нанса. Кроме того устройство не позвол ет при наличии резонансного режима обеспечить при любом варианте фиксации подшипника на платформе вибростенда предотвращение виброударного режима и

5 дребезга подвижной части подшипника, что дополнительно приводит к погрешности измерени .

Наиболее близким по технической сущности к. предлагаемому устройству  вл етс  устройство дл  измерени  жесткости подшипника , содержащее вибростенд, подвешенный на его подвижной части через испытуемый подшипник груз с вибродатчиком, направл ющую, жестко св занную с подвижной частью вибростенда , плоскую пружину, один конец которой шарнирно соединен с грузом, а другой жестко св зан с направл ющей и кареткой, смонтированной на направл ющей с возможностью перемещени  по плоской пружине .

Данное устройство имеет низкую точность измерени  вследствие сложени  погрешностей при фиксации резонанса по вибродатчику и вольтметру, измерении резонансной частоты и задани  регулируемой жесткости при перемещении каретки по направл ющей .

Кроме того, процесс измерени  на данном устройстве очень трудоемок и не может быть даже поэтому использован дл  оперативного контрол  подшипников, характеризующихс  массовым производством. Необходимо дл  измерени  последовательно возбудить вынужденные колебани , измен ть жесткость упругого элемента, зафиксировать резонанс, жесткость элемента и частоту в момент разонанса, и только после этого вычислить по зафиксированным значени м жесткость подшипника . Отлича сь значительной сложностью механической части, известное устройство не универсально, не позвол ет измерить жесткость подшипника в сборе , а об зательно предусматривает установку отдельно подшипника на стол вибростенда.

Цель изобретени  - повышение чувствительности и точности измерени  способа измерени  жесткости подшипника, а также повышение точности и производительности устройства дл  осуществлени  данного способа .

Поставленна  цель достигаетс  тем, что в способе измерени  жесткости подшипника , включающем нагружение подшипника соединенным с упругим элементом грузом, возбуждение колебаний и определение жесткости подшипника по зафиксированной частоте колебаний и масса груза и упругого элемента, устанавливают груз на упругом элементе, ввод т упругий элемент в контакт с подшипником с заданным усилием поджати , возбуждают импульсным воздействием свободные колебани  системы упругий элемент - груз, измер ют частоту свободных колебаний данной системы и определ ют жесткость подшипника по формуле

Сп

а} т С

С - ш2 m где Сл - жесткость подшипника;

С - жесткость упругого элемента;

m - масса груза с упругим элементом; а)- частота свободных колебаний системы упругий элемент - груз.

Поставленна  цель достигаетс  также

Q тем, что в устройстве дл  измерени  жесткости подшипника, содержащем контактирующую с испытуемым подшипником механическую колебательную систему в виде соединенного с упругим элементом груе за, упругий элемент выполнен в виде винтовой цилиндрической пружины, имеющей на обращенном к подшипнику торце контактирующий с внутренним кольцом подшипника плоский центр, а груз выполQ нен в виде намагниченного в осевом направлении посто нного цилиндрического магнита, закрепленного на другом торце пружины и введенного концентрично на половину своей длины в осевое отверстие со5 леноида, установленного с возможностью осевого перемещени  с фиксацией и электрически подключенного к источнику посто нного тока, дифференцирующей цепи и частотомеру.

0

В предложенном способе измерени  и

устройстве дл  его реализации реализован не метод вынужденных, а метод свободных колебаний, причем, возмущающее

5 импульсное воздействие приложено не к подшипнику, а непосредственно к грузу, что позвол ет практически выключить массу подвижной части подшипника и перейти непосредственно к измерению жесQ ткости подшипника, вход щей в состав образованной колебательной системы. Здесь полностью ушли от резонансного режима, что позволило также решить задачи по повышению точности измерени . В

с предложенном способе исключен целый р д операций: поиск резонанса, изменение жесткости, сведено все к одной операции , котора  в принципе может дать погрешность измерени : измерени  чаQ стоты свободных колебаний. Принципиально изменена схема соединени  жесткости упругого элемента и подшипника: от параллельного соединени  перешли к последовательному, что позволило

е практически на пор док увеличить чувствительность измерени .

Принципиальное изменение способа привело к необходимости и создани  принципиально нового устройства дл  измерени . Процесс измерени  полностью автоматизироьан , устранены сложные механические элементы, обусловливающие погрешность измерени , в несколько раз уменьшено число датчиков, обуславливающих погрешность: вольтметр, вибродатчик , направл юща  с кареткой и т.п. В устройстве применен принципиально новый механизм поджати  груза с упругим элементом к подшипнику в виде намагниченного сердечника, введенного а зону посто нного т гового усили  соленоида на половину своей длины. Такое выполнение позвол ет полностью исключить вли ние усили  поджати  на частоту колебательной системы, обеспечивает простоту регулировки , полностью исключает нелинейность при возникновении процесса свободных колебаний.

На фиг.1 приведена структурна  схема устройства; на фиг.2 - разрез по А-А фиг.1; на фиг.З и 4 - обобщенные физические модели процессов измерени  соответственно дл  способа-прототипа и предложенного способа.

Устройство дл  измерени  жесткости подшипника содержит испытуемый подшипник 1, установленный в отверстии стола 2 с фиксацией по внешнему кольцу, при этом стол закреплен на специальном штативе 3 (типа штатива микроскопа, подробно штатив 3 не показан, так как его конструкци  не принципиальна). С подшипником 1 введена в контакт механическа  колебательна  система, состо ща  из упругого элемента, Выполненного в виде винтовой цилиндрической пружины 4, имеющей на

.обращенном к подшипнику 1 торце контактирующий с внутренним кольцом подшипника 1 плоский центр 5, и груза 6,

.выполненного в виде намагниченного в осевом направлении посто нного цилиндрического магнита, закрепленного на другом торце пружины 4. При этом свободный конец магнита 6 введен концентрично на половину своей длины, т.е. в серединузоны посто нного т гового усили  - в осевое отверстие соленоида 7,плотно вставленного в цилиндрический немагнитный корпус 8, закрепленный, как и стол 2, на штативе 3. Предусмотрена возможность осевого перемещени  с фиксацией соленоида 7 за

Счет установки его нижнего торца на вход щих в осевую прорезь 9 корпуса 8 выступах 10 кольца 11, надетого на корпус 8 и фиксируемого в заданном положении с помощью винтов 12. Соленоид 7 электрически подключен к источнику посто нного тока 13 с пол рностью, при которой соленоид имеет встречное направление полюсов относительно магнита 6. т.е. верхн  

на фиг.1 сторона соленоида 7 имеет полюс N, При таком подключении, естественно, сердечник (магнит 6) стремитс  вытолкнуть- с  из соленоида 7. Параллельно с источником посто нного тока 13 к соленоиду 7 электрически подключены дифференцирующа  цепь 14 и частотомер 15 через конденсатор 16, предотвращающий поступление посто нного электрического сигнала на вход

0 частотомера 15. Ключ 17 служит дл  одновременного включени  дифференцирующей цепи 14 и частотомера 15.

Способ измерени  жесткости осуществл ют следующим образом.

5

Устанавливают испытуемый подшипник

Iв отверстие стола 2. Ввод т плоский центр 5 в контакт с внутренним кольцом подшипника 1, одновременно подава  ток с источ0 ника посто нного тока 13 в соленоид 7. При этом магнит 6 с пружиной 4 оказываетс  через центр 5 прижатым к внутреннему кольцу подшипника 1. Подава  с источника 13 ток заданной величины и смеща  соле5 ноид 7 осевым перемещением кольца 11с винтами 12 добиваютс  с одной стороны заданного усили  поджати  F (фиг.4) внутреннего кольца подшипника 1, и с другой одновременно - введени  магнита 6 на

0 половину своей длины в соленоид 7, то есть в середину зоны посто нного т гового усили , Здесь (в конструкции) двойна  независима  регулировка, естественно и обеспечиваетс  возможность выполнени 

5 двух условий. Естественно, така  регулировка проводитс  не каждый раз, а только на стадии отработки способа, при изменении типа, размера подшипника и т.п., то есть один раз. При измерении уже серийной

0 конструкции устройство настроено, кольцо

I1зафиксировано в нужном осевом положении , с источника посто нного тока 13 снимаетс  уже точно определенный сигнал. Теперь непосредственно следует процесс

5 измерени  (до этого была настройка устройства ). Включают ключ 17, включаетс  частотомер 15, одновременно с дифференцирующей цепи 14 в соленоид 7 подаетс  короткий электрический импульс, при этом

0 соленоид 7 оказывает импульсное воздействие на сердечник 6, упруго установленный на последовательно соединенных пружине 4 жесткости С и подвижной части подшипника с жесткостью Сп (фиг.4). Возникают

5 свободные колебани  системы упругий элемент - груз 6, при этом жесткость упругого элемента есть эквивалентна  жесткость вышеуказанного последовательного соединени  жесткостей. Следовательно, собственна  частота колебательной системы

будет при заданных значени х m - массы груза 6, и жесткости С определ тьс  жесткостью подшипника Сп. При свободных колебани х магнита 6 на пружинах в соленоиде 7 навод тс  э.д.с. в виде затухающего про- цесса с частотой w, накладывающа с  на присутствующий в соленоиде 7 сигнал посто нного тока. Переменна  составл юща  этого процесса проходит на частотомер 15, посто нна  не пропускаетс  конденсатором 16, измер етс  собственна  частота О), после чего по приведенной выше аналитической зависимости при известных значени х m и С вычисл ют жесткость подшипника Сп.

Выбор заданного усили  поджати  упругого элемента 4 и центра 5 к подвижной части подшипника 1 осуществл ют, как было сказано выше, регулировкой осевого положени  соленоида 7 и величины посто нного тока, подаваемого в соленоид 7 от источника 13, при этом выбор усили  поджати  осуществл ют из р да соображений . Во первых, поджатие должнЧ быть достаточным дл  устойчивого положени  сердечника 6 в осевом отверстии соленоида 7. Так как сердечник 6 выталкиваетс  из соленоида 7 посто нной силой F, то при достаточном отношении диаметра пружины 4 к ее длине, обеспечивающем поперечную устойчивость пружины, и при достаточном усилии поджати  и возникновении за счет этого достаточной силы трени  между центром 5 и торцом внутреннего кольца подшипника 1 в поперечном направлении, обеспечиваетс  центрирование сердечника 6 в зазоре соленоида 7. Во вторых, поджатие должно быть достаточным, чтобы при подаче в соленоид 7 электрического импульса с дифференцирующей цепи 14 не происходило отрыва центра 5 от внутреннего кольца подшипника 1, при этом не возникнет дребезг подвижной части. В третьих, поджатие не должно быть очень большим, так как подвижна  часть подшипника, как известно, в принципе нелинейна  система, однако, эта нелинейность про вл етс  при значительных интенсивност х воздействий как статических, так и динамических, при резонансных колебани х и т.п. При сравнительно малых усили х поджати  и возбуждени  свободных колебаний (отсутствии резонансных режимов) колебательную сие- тему можно практически без погрешностей рассматривать как линейную и пользоватьс  расчетными зависимост ми дл  линейных колебательных систем.

Обеспечива  при регулировке заданное усилие поджати , одновременно обеспечивают ввод сердечника 6 на половину своей длины в осевое отверстие соленоида 7. Дл  этого в устройстве предусмотрены две независимые возможности регулировки положени  сердечника б относительно подшипника 1: подачей посто нного тока в соленоид 7 и перемещением самого соленоида. Принцип способа (см.фиг.4), предусматривающий измерение частоты о свободных колебаний и вычисление по ней жесткости Сп подшипника , обуславливает посто нство усили  поджэ/ги  F, чтобы со в принципе не зависело от F. Дл  этого необходимо, чтобы при возникновении свободных колебаний системы и смещении сердечника 6 относительно соленоида 7 сила F врпределенной области не мен лась. Указанное выше положение сердечника соответствует как раз середине зоны посто нной т ги. В этой зоне т говое усилие со значительной точностью посто нно и имеет максимальное значение. Этим полностью исключаетс  возможность возникновени  нелинейности при колебани х.

Процесс регулировки производитс  следующим образом. На сердечнике 6 имеетс  специальна  риска (не показана), по расположению которой относительно торца корпуса 8 с учетом осевого положени  кольца 11 автоматически обеспечиваетс  ввод сердечника 6 в осевое отверстие на половину своей длины. Выбор заданного усили  поджати  также экспериментально отработан из необходимости обеспечени  трех вышеназванных условий. Така  регулировка проводитс  один раз. и далее процесс измерени  идет автоматически. Жесткость С упругого элемента 4 и масса m груза с упругим элементом выбраны стандартными, поэтому шкала частотомера 15 проградуирована непосредственно уже в единицах жесткости. Поэтому, нет необходимости каждый раз вычисл ть Сп по аналитической зависимости, а сразу снимаетс  величина жесткости подшипника .

Точность предложенного способа очевидна . Из сравнени  на фиг.З и 4 обобщенных физических моделей (расчетных схем) процессов видно, что в отличие от способа-прототипа масса подвижной части подшипника Гоп в предложенном способе в принципе исключена из процесса измерени , и здесь напр мую измер етс  только жесткость Сп подшипника. В предложенном способе и устройстве практически исключены операции и датчики (узлы) дл  их осуществлени , которые могут повлечь погрешность измерени . Здесь из таких операций производитс  только измерение собственной частоты, осуществл емое ча- стотомером 15 с высокой точностью. В способах и устройствах прототипах присутствуют кроме этого определение резонансного режима с помощью вибродатчика и вольтметра, а также регулировка жесткости упругого элемента с помощью специальной направл ющей и перемещакщейс  по ней каретки. Отсутствие при измерении в принципе резонансного режима колебаний и возможность выбора требуемого усили  поджати  полностью исключает возможность по влени  нелинейности при измерении , возникновение дребезга и вли ние смазки подшипника на процесс измерени .

Как известно, собственна  частота колебательной системы ш уСа/m , где Сэ - эквивалентна  жесткость. Дл  данной колебательной системы (см.фиг.4) жесткости упругого элемента С и подшипника Сп сое- динеиы последовательно. Дл  такого соединени  Сэ ССп/(С + Сп). подставив формулу дл  Сэ в формулу дл  со и выразив из полученного аналитического выражени  Сп, получим расчетную аналитическую зави- симость дл  нахождени  жесткости подшипника .

Чувствительность способов измерени  определ етс  крутизной изменени  регистрируемого параметра - собственной часто- ты а) , при изменении контролируемого параметра - жесткости подшипника Сп. В способе-прототипа определение жесткости производитс  по формуле о -С (обозначени  вз ты те же, что и данной за вке). Определ ем чувствительность как производную S ч w(dCn), предварительно выразив ш и после проведени  некоторых преобразований получим Si

1.

л i A1 s чувствительность спосо- / V ( С, т Сп Jrn

ба- прототипа. Аналогично находим из расчетной зависимости дл  предлагаемого способа mC/(C- о m) после того р да преобразований при вз тии частной про- изводной чувствительность предлагаемого

1.f.

способа $2 - VС Сразу

П

находим

S2

Si

m Cn ( Cn + С )3

f

- отношеСп ( Сп -I- С )2 ние чувствительности предложенного способа к чувствительности способа-прототипа . С помощью последнего выражени .

можно уже сделать конкретные выводы. Например , при жесткости упругого элемента С в три раза больше ориентированной жесткости подшипника Cn S2/Si 1,3. Ес-ли выбрать С 5Сп, то уже S2/Si 1,9. Если же С 10 Сп то S2/Si 2,9. Таким образом, данный способ измерени  позвол ет путем рационального подбора жесткости упругого элемента подобрать требуемую величину чувствительности.

Пример. Был проконтролирован подшипник радиального типа 209, наружный диаметр мм, внутренний мм, масса груза (сердечника) с упругим элементом кг, жесткость упругого элемента С 8 105 И/м. Измер ем частоту свободных колебаний системы (о 1052 рад/с 168 Гц, после чего по аналитической зависимости вычисл ем жесткость подшипника ,6 105 Н/м. Было выбрано усилие поджати  , длительность импульса , снимаемого с дифференцирующей цепи т 20 10 с.

Предложенный способ и устройство были опробованы на подшипниках различных типов, авторами накоплен значительный экспериментальный материал, подтверждающий сделанные выводы.

Предложенный способ и устройство найдут широкое применение при оперативном контроле серийно выпускаемых подшипников .

Claims (2)

1. Способ измерени  жесткости подшипника , включающий нагружение подшипника соединенным с упругим элементом грузом, возбуждение колебаний и определение жесткости подшипника по зафиксированной частоте колебаний и массе груза и упругого элемента, отличающийс  тем, что, с целью повышени  чувствительности и точности измерени , устанавливают груз на упругом элементе, ввод т упругий элемент в контакт с подшипником с заданным усилием поджати , возбуждают импульсным воздействием свободные колебани  системы упругий элемент-груз, измер ют частоту свободных колебаний данной системы и определ ют жесткость подшипника Сп по формуле

Сп

a m С С -сы2

m

где С - жесткость упругого элемента;

m - масса груза с упругим элементом;

частота свободных колебаний системы упругий элемент -- груз.

2. Устройство дл  измерени  жесткости подшипника, содержащее контактирующую с испытуемым подшипником механическую колебательную систему в виде соединенного с упругим элементом груза, отличающеес  тем, что, с целью повышени  точности и производительности процесса измерени , упругий элемент выполнен в виде винтовой цилиндрической пружины, имеющей на обращенном к подшипнику торце

0

контактирующий с внутренним кольцом подшипника плоский центр, а груз выполнен в виде намагниченного в осевом направлении посто нного цилиндрического магнита, закрепленного на другом торце пружины и введенного концентрично на половину своей длины в осевое отверстие соленоида , установленного с возможностью осевого перемещени  с фиксацией и электрически подключенного к источнику посто нного тока, дифференцирующей цепи к частотомеру.

Lt.